Kasım Sinan YILDIRIM Danışman: Doç. Dr. Aylin KANTARCI Doktora Tezi

İ çerik  Altyapı  Yavaş Sel Tabanlı Saat Eşzamanlaması  Saatlerin Geri Alınmasını Engelleyen Bir Yöntem  Dışsal Meyilli Saat Eşzamanlaması  Optimal Meyilli Saat Eşzamanlama Algoritmalarının Gerçekleştirimlerini Kolaylaştırmak Üzerine Bir Çalışma  Sonuçlar 2 Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması

ALTYAPI Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması

Saat Donanımı Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 4  Salınım frekansı 32 KHz ya da 7.37 MHz olabilen bir kristal salınıcı  Sayaç yazmaçı her salınım darbesinde 1 artıyor.  Saat sapmaları ppm – her saniyede en fazla 50 mikrosaniye (saatte 0.18s) Mica MHz quartz 32 kHz quartz

İ letişim Hattındaki Belirsizlikler Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 5

Saat Eşzamanlamasının Önemi Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 6 Çalışma Çevrimi TDMA Algılama Donanım Saati Konum Bulma Saat Eşzamanlama Protokolü

Sistem Modeli Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 7  Donanım Saati  İ letişim A ğ ı  Mantıksal Saat Rastgele Mesaj Gecikmeleri Saat 152 Saat 102 Saat 132

Saat Eşzamanlama Problemi Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 8  Herhangi iki dü ğ ümün arasındaki mantıksal saat farkını eniyilemek – Genel Saat Farkı  Birbirine komşu dü ğ ümler arasındaki mantıksal saat farkını eniyilemek – Yerel Saat Farkı Genel Yerel

YAVAŞ SEL TABANLI SAAT EŞZAMANLAMASI 9 Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması

Saatler Arasında Do ğ rusal İ lişki Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 10 Göreceli İ lerleme hızı

Flooding Time Synchronization Protocol (Maroti et. al. SenSys 2004) Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması D t

Bekleme Sürelerinin Etkisi Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 12 Her sekmede Şişen tahmin hataları

PulseSync (Lenzen et. al. SenSys 2009) Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması D t

FTSP - PulseSync Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 14

Açık Problem - I Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 15  Hızlı Sel yöntemi, dü ğ ümler kendi komşuları iletişimlerini bitirmeden seli ilerletemeyeceklerinden dolayı Kablosuz Algılayıcı A ğ larında yavaş olabilmektedir (Schmid et al., SenSys 2010). t slot 1slot 2 slot n

Açık Problem - II Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 16  Yavaş sel yönteminin Kablosuz Algılayıcı A ğ larındaki saat eşzamanlaması üzerindeki olumsuz etkisi, selin yayılım hızı ve iletişim sıklı ğ ı de ğ iştirilmeden giderilebilir mi?

E ğ im Geçmişi Kullanmak- I Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 17  Amaç bir e ğ im geçmişi kullanarak, en küçük kareler yöntemi ile hesaplanan do ğ rusal ba ğ lanım do ğ rusunun e ğ imini daha tutarlı hale getirmek.  Uygulamalara iletilecek mantıksal saat de ğ eri, varyansı daha düşük olan bir e ğ im de ğ eri ile hesaplansın.

FTSP – 20 MICAz dü ğ ümü Do ğ rusal İ linge Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 18

E ğ im Geçmişi Kullanmak- II Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması

FTSP ME – 20 MICAz dü ğ ümü Do ğ rusal İ linge Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 20

FTSP OE – 20 MICAz dü ğ ümü Do ğ rusal İ linge Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 21

FTSP OGE – 20 MICAz dü ğ ümü Do ğ rusal İ linge Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 22

En Küçük Varyansa Sahip İ kili E ğ im EKVS İ E Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 23

FTSP EKVS İ E– 20 MICAz dü ğ ümü Do ğ rusal İ linge Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 24

Hız Seli Eşzamanlama Protokolü (HSEP) Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması D Mantıksal SaatDonanım SaatiGöreceli Hız Mesaj Yapısı A ğ ın çapının Üstel bir fonksiyonu

HSEP – 20 MICAz dü ğ ümü Do ğ rusal İ linge Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 26

Da ğ ıtık Ortalama Alma Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması

Saat Hızı Uzlaşma Protokolü (SHUS) Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması D A ğ ın çapının karekökünün bir fonksiyonu

SHUS – 20 MICAz dü ğ ümü Do ğ rusal İ linge Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 29

Deneysel Sonuçların Özeti Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 30

SHUS – Benzetim Sonuçları Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 31

Sonuç ve Yorumlar -I Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 32  Saat hızı uzlaşması, bekleme sürelerinin saat eşzamanlamasına olan etkisini büyük ölçüde düşürmüştür.  SHUS, FTSP protokolünün başarımını yaklaşık 20 kat arttırmıştır.  Yavaş sel yönteminin ölçeklenebilir oldu ğ u gösterilmiştir.

Sonuç ve Yorumlar -II Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 33  Uzlaşma süresinin büyüklü ğ ü  Kısıtlı sayıda komşu takip edilebilir.  Yo ğ un komşuluk ilişkilerinin oldu ğ u bir a ğ da, hangi komşunun takibi yapılacak?

SAATLER İ N GER İ ALINMASINI ENGELLEYEN B İ R YÖNTEM 34 Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması

Açık Problem Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 35  Mantıksal saatler, saat eşzamanlamasına yönelik tüm teorik çalışmalarda, monoton artan fonksiyonlar olarak modellenmişlerdir.  En küçük kareler (EKK) yöntemi, uygulamadaki birçok saat eşzamanlaması protokolü tarafından kullanılmaktadır.  FTSP!!!  EKK, saatlerin geri alınmasına yol açabilmektedir.  Saatlerin geri alınmasını nasıl engelleyece ğ iz??

En Küçük Kareler – Saatlerin Geri Alınması Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 36

Geri Alınmayı Kaydırma İ le Engellemek Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 37 X X/2

FTSP ve De ğ iştirilmiş FTSP: 20 MICAz dü ğ ümü Do ğ rusal İ linge - I Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 38

FTSP ve De ğ iştirilmiş FTSP: 20 MICAz dü ğ ümü Do ğ rusal İ linge - II Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 39

Sonuç ve Yorumlar Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 40  Saat eşzamanlama protokollerinde yaygın şekilde kullanılan EKK yönteminin saatlerin geri alınmasına yol açabilece ğ i gösterilmiştir.  Bunu engelleyecek bir yöntem ortaya koyulmuştur.  Aynı zamanda saat farkları da azalmaktadır.  İ leri zaman süreksizlikleri?

DIŞSAL MEY İ LL İ SAAT EŞZAMANLAMASI 41 Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması

Dayanak Dü ğ ümüne İ htiyaç Duyan Protokoller Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 42 Büyük yerel saat farkı

Gradient Time Synchronization Protocol (Sommer and Wattenhofer, IPSN 2009) Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması D

FTSP - GTSP Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 44 FTSPGTSP

Açık Problem Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 45  GTSP’de dayanak dü ğ ümü yok. Tüm dü ğ ümler komşularına eşzamanlanıyorlar.  GTSP ile dışsal eşzamanlama nasıl sa ğ lanacak? (Schmid et. al. 2009)  Yerel saat farkı da aynı zamanda nasıl eniyilenecek?

Dışsal Meyilli Saat Eşzamanlama Protokolü (DMSEP) -I Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 46 Mantıksal SaatDonanım SaatiHız ÇarpanıKökün Hız ÇarpanıKök Öteleme Mesaj Yapısı GTSP’deki uzlaşım algoritması için gerekli Dışsal eşzamanlama için gerekli

Dışsal Meyilli Saat Eşzamanlama Protokolü (DMSEP) - II Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması D

GTSP - DMSEP Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 48

Deneyler Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 49

Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 50

Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 51

Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 52

Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 53

Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 54

Deneysel Sonuçların Özeti Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 55

Benzetim Sonuçları Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 56

Sonuçlar ve Yorumlar Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 57  Birbirine komşu dü ğ ümler arasında sıkı eşzamanlama sa ğ larken, bu dü ğ ümleri aynı zamanda bir dayanak dü ğ ümüne de eşzamanlayan DMSEP  Uzlaşım için geçen zaman uzun  20 algılayıcı, do ğ rusal ilinge saniye (2.5 saat)  Sabit dayanak dü ğ ümü  Komşular nasıl seçilecek?

OPT İ MAL MEY İ LL İ SAAT EŞZAMANLAMA ALGOR İ TMALARININ GERÇEKLEŞT İ R İ MLER İ N İ KOLAYLAŞTIRMAK ÜZER İ NE B İ R ÇALIŞMA 58 Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması

Teorik Çalışmalar Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 59 [Lundelius & Lynch, 1984] Meyilli Saat Eşzamanlaması [Fan & Lynch, PODC 2004] [Biaz & Welch, 2001] İ lk meyilli algoritma [Locher et al., DISC 2006] Daha sıkı alt sınır ve Optimal Algoritma [Lenzen et al., PODC 2009] Optimal Algoritma [Kuhn et al., 2009]

Tight Bounds for Clock Synchronization (Lenzen et al. 2010) - I Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 60 Saatini periyodik olarak gönder Komşularından gelen saat bilgisini güncelle Saat hızını ayarla

Tight Bounds for Clock Synchronization (Lenzen et al. 2010) - II Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 61

Tight Bounds for Clock Synchronization (Lenzen et al. 2010) - III Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 62 İ kili Arama Yapılmalı

Gradient Clock Synchronization Using Reference Broadcasts (Kuhn and Oshman 2009) Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 63 İ kili Arama Yapılmalı

Açık Problem Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 64  Optimal algoritmalarda, mantıksal saatlerin ilerleme hızı arama yapmadan nasıl belirlenecek?  Gerçekleştirim Kolaylı ğ ı

Saat Eşzamanlama Bileşeni Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 65

Mantıksal Saat Modülü Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 66 Saatini periyodik olarak gönder Mantıksal saat ile ilgili de ğ işkenler

Tahminleme Modülü Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 67 Komşuların saat tahminleri En büyük ve en küçük tahminler

Eşzamanlama Modülü Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 68 Aramaya Gerek Yok!!! Saat hızını ayarla

Yazılımsal Gerçekleştirim Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 69

Donanım Tasla ğ ı Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 70

Sonuç ve Yorumlar Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 71  Literatürde yer alan optimal meyilli saat eşzamanlama algoritmalarında yer alan uygulamada gerçekleştirimi zorlaştıran matematiksel ifadeler yerine, daha kolay gerçekleştirilebilir ifadeler sa ğ lanmıştır.  Donanım tasla ğ ının gerçekleştirilmesi (FPGA?) !!!

SONUÇLAR 72 Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması

Katkılar Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 73  Yavaş sel yöntemi ile mikrosaniye mertebesinde hassasiyetle eşzamanlama sa ğ layan açık kaynak kodlu bir protokol  Saatlerin geri alınmasını engelleyecek basit bir yöntem  Birbirine komşu dü ğ ümler arasındaki eşzamanlama hatasını eniyilerken dışsal eşzamanlama sa ğ layan açık kaynak kodlu bir protokol  Daha kolay gerçekleştirilebilir optimal meyilli bir eşzamanlama algoritması

Gelecek Çalışmalar Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 74  Uzlaşım algoritmasının Yakınsama Süresi  Meyilli saat algoritmasının donanımsal gerçekleştirimi  A ğ ın sıkı ba ğ lılı ğ ını bozmayacak şekilde, komşuluk ilişkilerinin düzenlenmesi

Açık Problemler Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 75  Tamamiyle da ğ ıtık, hiç komşuluk takibi yapmadan eşzamanlama??  Enerji verimlili ğ i  Dü ğ ümlerin komşu sayılarını (derecelerini) gözeterek  En küçük enerjili tümegönderim a ğ acı  A ğ ın merkezindeki dü ğ ümü dayanak dü ğ ümü seçmek  Uygulamalar  Eşgüdümlü hareket eden nesneler

Kablosuz Algılayıcı A ğ larında Saat Eşzamanlaması 76